فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:167
پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مواد(سرامیک)
فهرست مطالب:
فصل اول : مقدمه 1
1-1- مقدمه 2
فصل دوم : مروری برمنابع مطالعاتی 5
2-1- فناوری نانو 6
2-2- خواص نانوذرات 7
2-3- روشهای تولید نانو ذرات 7
2-4- کاربرد نانو تکنولوژی 8
2-5- نانو کامپوزیت های سرامیکی 10
2-5-1- طبقه بندی نانو کمپوزیت های سرامیکی 10
2-5-2- خواص و کاربرد نانو کامپوزیتهای سرامیکی 11
2-6- نانو محلولهای جامد سرامیکی 11
2-6-1- محلول جامد از نوع بین نشینی 11
2-6-2- محلول جامد از نوع جانشینی 11
2-6-2-1- انواع محلول جامد جانشینی 11
2-6-3- خواص مکانیکی محلول های جامد 12
2-6-4- محلولهای جامد فوق اشباع 12
2-7- روشهای سنتز نانو محلول های جامد سرامیکی 12
2-7-1- آلیاژ سازی مکانیکی 12
2-7-2- سل- ژل 13
2-7-3- رسوبی و همرسوبی (رسوبگذاری) 14
2-8- پیل سوختی چیست؟ 15
2-9- تاریخچه پیل سوختی 18
2-10- انواع پیل های سوختی 19
2-10-1- پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC) 19
2-10-2- پیل سوختی قلیایی (AFC) 20
2-10-3- پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) 20
2-10-4- پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشای مبادله کننده پروتون(PEFC) 21
2-10-5- پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) 22
2-10-5-1- تاریخچه پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) 22
2-10-5-2- وظیفه صفحات الکترود متخلخل در پیل سوختی اکسید جامد شامل موارد زیر است 24
2-10-5-3- روابط و واکنشهای موجود در یک پیل سوختی اکسید جامد 24
2-10-5-4- نیروی الکتروموتیو (EMF) و معادله نرنست برای پیل های سوختی اکسید جامد 25
2-10-5-5- پتانسیل الکتروشیمیایی و رسانایی یونی در پیل های سوختی اکسید جامد 26
2-10-5-6- محاسبه رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی برای پیل های سوختی اکسید جامد 26
2-10-5-7- جزئیات عملکرد پیل های سوختی اکسید جامد 26
2-11- مقایسه کلی بین پیل های سوختی از نظر دمای کارکرد و بازده و توان تولیدی 29
2-12- مزایا و معایب پیل های سوختی 30
2-13- موانع پیش روی استفاده از پیل های سوختی 31
2-14- کاربرد های پیل سوختی 32
2-15- زیرکونیا 33
2-15-1- خواص فیزیکی، مکانیکی، و شیمیائی زیرکونیا 33
2-15-2- پلی مورف های زیرکونیا 34
2-15-2-1- فاز مونوکلینیک زیرکونیا 34
2-15-2-2- فاز تتراگونال زیرکونیا 35
2-15-2-3- فاز مکعبی زیرکونیا 35
2-15-3- کاربرد های زیرکونیا 35
2-15-3-1- کاربرد های مبتنی بر خواص الکتریکی زیرکنیا 36
2-15-3-2- کاربرد های مبنی بر دیرگدازی زیرکونیا 36
2-15-3-3- کاربرد های مبتنی بر خواص مکانیکی 37
2-16- مقدمه ای برآند پیل سوختی اکسید جامد 37
2-17- ناحیه سه فازی درآند 38
2-18- انواع مواد آندی 39
2-18-1- سرمتYSZ –Ni 39
2-18-2- فلورایت ها 41
2-18-3- مواد آندی پروسکایت 44
2-18-4- مواد آندی تنگستن برنز 48
2-18-5- مواد آندی پیروکلر 49
2-18-6- مواد آندی سولفور آزاد 50
2-19- توسعه سینتیک و مکانیسم واکنش و مدل آند ها 51
2-20- توسعه تکنولوژی های ارزان قیمت برای تولید و ساخت آند 55
فصل سوم : فعالیت های آزمایشگاهی 58
3-1- مواد اولیه مورد استفاده 59
3-2- روش کار 60
3-2-1- مراحل سنتز پودر (AZ) 60
3-2-1-1- مرحله اول: اختلاط مواد اولیه 61
3-2-1-2- رفلاکس سیستم 61
3-2-1-3- مرحله سوم: سانتریفیوژ محلول 62
3-2-1-4- مرحله ی چهارم : شستشو رسوب بدست آمده 62
3-2-1-5- مرحله پنجم: خشک کردن و عملیات حرارتی اولیه 62
3-2-2- سنتز پودر AZN)) 62
3-2-3- سنتز پودر (AZNC) 63
3-3- تهیه و ساخت آند پیل سوختی اکسید جامد 64
3-3-1- روش خشک 65
3-3-1-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات) 65
3-3-1-2- تخلخل زای: T.P.P (تری فنیل فسفین) 67
3-3-1-3- تخلخل زای :خاک اره 68
3-3-1-4- تخلخل زای:CMC (کربوکسی متیل سلولز) 69
3-3-1-5- تخلخل زای: نمک طعام (NaCl ) 70
3-3-1-6- تخلخل زای: شکر 70
3-3-1-7- تخلخل زای: اوره Urea 71
3-3-1-8- تخلخل زای:PEG (پلی اتیلن گلیکول) 72
3-3-1-9- تخلخل زای :MC (متیل سلولز) 73
3-3-1-10- تخلخل زای: مخلوط PVA و T.P.P 74
3-3-1-11- تخلخل زای : مخلوط T.P.P وMC 75
3-3-1-12- تخلخل زای: اختلاط PVAو PEG 75
3-3-1-13- تخلخل زای: PEG وMC 76
3-3-1-14- تخلخل زای: PEG وT.P.P 76
3-3-1-15- تخلخل زای: PVA، PEG، MC 77
3-3-1-16- تخلخل زا ی : PVA،PEG ، T.P.P 77
3-3-2- روش تر 78
3-3-2-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات) 78
3-3-2-2- تخلخل زای : T.P.P (تری فنیل فسفین) 80
3-3-2-3- تخلخل زای: MC(متیل سلولز) 82
3-3-2-4- تخلخل زا:PEG (پلی اتیلن گلیکول) 83
3-3-3- ساخت آند نهایی توسط PEG 85
3-4- اندازه گیری چگالی قطعات ساخته شده 87
3-4-1- دانسیته ارشمیدسی 87
3-4-2- دانسیته معمولی 87
3-5- تجهیزات مورد استفاده 88
3-5-1- آنالیز براش اشعه ایکس (XRD) 88
3-5-2- آنالیز طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR) 88
3-5-3- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز (EDX) 88
3-5-4- آنالیز UV-vis 88
3-5-5- آنالیزمیکروسکوپ الکترونی عبوری TEM 88
فصل چهارم : نتایج و بحث 90
4-1- بررسی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرسنتزشده 91
4-1-1- بررسی نتایج حاصل ازآنالیزتفرق اشعه ی ایکس 91
4-1-1-1- نمونهAZ 91
4-1-1-2- نمونه : AZN 96
4-1-1-3- نمونه AZNC 97
4-1-2- ارزیابی تثبیت فازی در نمونه های تهیه شده، با استفاده از آنالیز پراش اشعه ی ایکس 98
4-1-2-1- نمونه AZ 99
4-1-2-2- نمونه AZN 99
4-1-2-3- نمونه AZNC 100
4-1-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز 101
4-1-2-1- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمزنمونه AZ 101
4-1-2-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZN 103
4-1-2-3- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZNC 104
4-1-3- نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM و عبوری TEM 105
4-1-3-1- نتایج آنالیز SEM برای نمونه AZ 106
4-1-3-2- نتایج آنالیز TEMبرای نمونه AZ 108
4-1-3-3- نتایج آنالیز SEMبرای نمونه AZN 109
4-1-3-4- نتایج آنالیز TEMبرای نمونه AZN 111
4-1-3-5- نتایج آنالیز SEM برای نمونه AZNC 112
4-1-3-6- نتایج آنالیز TEMبرای نمونهAZNC 114
4-1-4- نتایج حاصل از تست EDX 115
4-1-4-1- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونه AZ 115
4-1-4-2- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونهAZN 116
4-1-4-3- نتایج حاصل از تست EDXبرای نمونه AZNC 116
4-1-5- نتایج حاصل از تست UV-vis 117
4-1-5-1- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZ 117
4-1-5-2- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZN 118
4-1-5-3- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZNC 119
4-1-6- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط خشک 121
4-1-6-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA 121
4-1-6-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P 121
4-1-6-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با خاک اره 121
4-1-6-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با CMC 121
4-1-6-5- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با نمک طعام 121
4-1-6-6- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با شکر 121
4-1-6-7- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با اوره 122
4-1-6-8- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG 122
4-1-6-9- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC 122
4-1-6-10- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PVA و T.P.P 122
4-1-6-11- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC و T.P.P 122
4-1-6-12- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PVA و PEG 122
4-1-6-13- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEGوMC 122
4-1-6-14- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG و T.P.P 123
4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEGو PVA و MC 123
4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEGو PVA و T.P.P 123
4-1-7- نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زا ها با حلال برای تهیه یک تخلخل زای مناسب 123
4-1-7-1- نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای PVA و حلال 123
4-1-7-2- نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای T.P.P و حلال 124
4-1-7-3- نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای MCو حلال 124
4-1-7-4- نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای PEGو حلال 124
4-1-8- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط تر 125
4-1-8-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA به روش اختلاط تر 125
4-1-8-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P به روش اختلاط تر 125
4-1-8-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای MC به روش اختلاط تر 125
4-1-8-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PEG به روش اختلاط تر 125
4-9-1- نتایج حاصل از دانسیته ارشمیدسی برای قطعات 126
4-10-1- نتایج حاصل از دانسیته معمولی برای قطعات 127
فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات 128
5-1- نتیجه گیری نهایی 129
5-2- پیشنهادات 130
مراجع 131
فهرست جداول
جدول 2-1 : مقایسه کلی انواع پیل های سوختی رانشان می دهد………………………………….. 30
جدول 3-1:مواد مصرفی برای سنتز پودر…………..………………………………………………………. 59
جدول 3-2:مقادیر افزودنPVA به AZ به روش خشک…………..………………………..…………. 66
جدول 3-3:مقادیر افزودن T.P.P به AZ به روش خشک…………..…………………………………. 68
جدول 3-4:مقادیر افزودن خاک اره به AZ …………..………………………..…………………………. 69
جدول3-5: مقادیر افزودن …………….……..………………………………..……………………… CMC 69
جدول 3-6:میزان افزودن نمک طعام به …………..………….…………………………..………… AZ 70
جدول3-7:میزان افزودن شکر به ………………………………..…..………………………………….AZ 71
جدول3-8:میزان افزودن اوره به ……………………….…………….………………………………….AZ 72
جدول3-9:میزان افزودنPEGبه ……………………………………..………………………………….AZ 73
جدول3-10: میزان افزودن MCبه …………..……………………………..………………………….AZ 74
جدول3-11: میزان افزودن PVAو T.P.Pبه …………..………………………..………………….AZ 74
جدول3-12: میزان افزودن MC وT.P.P به …………..……………………………..……………….AZ 75
جدول3-13:میزان افزودن PVA و PEGبه …………..……………………………………………….AZ 85
جدول 3-14: میزان افزودنPEG و MCبه …………..………………….………………………….AZ 76
جدول 3-15: میزان افزودن PEG و T.P.Pبه …………..…………………..……………………….AZ 76
جدول 3-16: میزان افزودن PVAوPEG وMC به …………..………………………………….AZ 77
جدول 3-17: میزان افزودن PVA ,PEG, T.P.P به …………..………………………………….AZ 77
جدول 3-18: میزان افزودنPVA به AZ به روش تر…………..………….…………………………. 79
جدول3-19: زمانهای و دماهای اختلاط PVA با آب مقطر.……..…………………………………. 79
جدول3-20: زمانها و دماهای اختلاط T.P.P با اتانول…………..……………………………….……. 81
جدول 3-21: ترکیب مقادیر مختلف T.P.P و AZ بصورت تر…………..…………………………. 82
جدول3-22: مقادیر، دماها و زمانهای اختلاط MC با آب مقطر…..…………………………………. 82
جدول 3-23: مقادیر اختلاطMC و …………..……………………………………………………….AZ 83
جدول3-24:مقادیر دماها و زمانهای حل شدن PEGدر آب.…..……………………………………. 83
جدول3-25: مقادیر افزودن PEG به AZ به روش تر…………..……………..………………………. 84
جدول 3-26: اندازه و شرایط نهایی قطعات ساخته شده…………...…………………………………. 85
جدول 3-27: علائم اختصاری برای نمونه های تهیه شده در مراحل مختلف……………………. 89
جدول 4-1: میانگین اندازه بلورک برای نمونه AZ از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد…………. 95
جدول 4-2: میانگین اندازه بلورک برای نمونه AZN از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد.. 97
جدول 4-3: میانگین اندازه بلورک برای نمونه AZNC از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد…………. 98
جدول4-4: درصد وزنی و مقدار مول عناصر نمونه ……………………………………………….AZ 115
جدول4-5: درصدوزنی ومقدارمول عناصرنمونه …………..…..……………………………….AZN 116
جدول4-6: درصد عناصر و مقدار مول نمونه …………..…….……………………………….AZNC 117
جدول4-7: مقادیر چگالی قطعات به روش ارشمیدسی……………..…………………………………. 126
جدول 4-8: اندازه گیری دانسیته قطعات به روش محاسبه ای…………..…………………………… 127
فهرست اشکال
شکل2-1: شماتیک از ابعاد ماده از1 متر تا1 نانومتر…………………………..………..…………………………………. 6
شکل2-2: طبقه بندی نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی……………………………..…………………………………. 10
شکل2-3: شماتیک فرایند سل-ژل برای تولید نانو مواد…………..……………….……………………………………. 13
شکل2-4: شماتیک فرآیند استوالد……………………….....…………………………………………………………………. 14
شکل2-5: مکانیسم تشکیل همگن ذرات در محلول…………..…………………….……………………………………. 15
شکل 2-6: شمای کلی یک پیل سوختی…………..…………………………………………….……………………………. 16
شکل2-7: نمای کلی یک پیل‌سوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یونها………… 16
شکل2-8: شماتیک طرز کار پیل سوختی…………………………………………….…..…………………………………. 17
شکل2-9: شماتیک اولین پیل سوختی ساخته شده توسط سر ویلیام گرو…………..…………………..…………. 19
شکل2-10: واکنشهای انجام شده درپیل سوختی اسیدفسفریک…………..…………………..………………………. 20
شکل2-11: واکنشهای انجام شده در پیل سوختی قلیایی…………..……………………………………………………. 20
شکل2-12: واکنش های انجام شده درپیل سوختی کربنات مذاب…………..…………………….…………………. 21
شکل2-13: واکنش های انجام شده در پیل سوختی پلیمری…………..……………………….………………………. 21
شکل 2-14: نمای کلی یک پیل سوختی اکسید جامد…………..………………………..………………………………. 23
شکل2-15: واکنش های انجام شده در پیل سوختی اکسید جامد…………..…………………………………………. 23
شکل 4-16 : شماتیک آند و کاتد و الکترولیت و ورودی و خروجی یک پیل سوختی اکسید جامد..……... 24
شکل2-17: شماتیک نحوه عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد…………..………………………………………. 27
شکل2-18: شماتیک یک منحنی قطبش ایده آل…………..…………………….…………………………………………. 28
شکل2-19: ساختار فاز مونوکلینیک ………………………………………………..………………………………….ZrO2 34
شکل2-20: ساختار فاز تتراگونال …………………………………………………...………………………………….ZrO2 35
شکل2-21: ساختار فاز کیوبیک ……………………………………………………..………………………………….ZrO2 35
شکل2-22: شماتیک ناحیه سه فازی…………..…………………………………………………..…………………………. 39
شکل2-23: ساختارفلورایت مکعبی ایده آل…………………………………………………………………………………. 42
شکل2-24 :سلول واحد ساختار پروسکایت …………..………………………………………………………….ABO3 44
شکل2-25 : ساختار تنگستن برنز…………………………………………………………..…………………………………. 49
شکل2-26 : ساختار A2B2O7 پیروکلر…………..…………………………………………..………………………………. 50
شکل2-27: شماتیکی از واکنشهای محتمل برای اکسایش H2 در حضور، آند-الکترولیت………………….…. 53
شکل2-28: شماتیکی از مکانیسم جذب سطحی در آندهای …………..………………………………….Ni/YSZ 53
شکل 3-1: فلوچارت کلی روش کار…………………………………………………..…..…………………………………. 60
شکل 3-2: فلوچارت تهیه ی پودر (AZ). …………..………………………………………………………………………. 61
عکس 3-3 : فلوچارت آماده سازی و سنتز پودر…………..……………………………………………………….AZN 63
فلوچارت 3-4: مراحل آماده سازی پودر…………..……………………………………………..……………….AZNC 64
فلوچارت 3-5: روش کلی ساخت آند…………..…………………………………………………..………………………. 65
فلوچارت 3-5:مرحله اختلاف مواد اولیه………………………………………………….…………………………………. 65
شکل 3-6: فلوچارت عملیات حرارتی نمونه حاضر شده به روش اختلاط خشک…………....……….………. 67
شکل3-7: فلوچارت عملیات حرارتی نمونه های حاضر شده به روش اختلاط تر……………………………….. 80
شکل3-8: فلوچارت جزئیات روش تر…………..……………………………………………………………………………. 84
تصویر3-9: قطعات نهایی ساخته شده…………..……………………………………………………….……………………. 86
تصویر3-10: قطعات نهایی ساخته شده…………………………………………………….…………………………………. 86
تصویر3-11: قالب نهایی ساخت قطعات…………..…………………………………………………………………………. 86
شکل4-1: الگوی پراش اشعه ایکس پودر AZدر دمای500 درجه سانتیگراد…………………….…………………. 91
شکل4-2: الگوی پراش اشعه ی ایکس برای پودر AZ در 800 درجه سانتیگراد…………………………….…… 92
شکل 4-3: الگوی پراش اشعه ایکس برای پودر AZ در دمای 1000 درجه سانتیگراد………………………….. 93
شکل 4-4: الگوی پراش اشعه ایکس برای پودر AZ در دمای 1200 درجه سانتیگراد………………………….. 93
شکل 4-5 : الگوی پراش اشعه ایکس برای پودر AZ در دمای 1400 درجه سانتیگراد….…………………….. 94
شکل4-6: مقایسه ی الگوهای پراش اشعه ی ایکس برای پودر AZ از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد………………. 95
شکل4-7: مقایسه ی الگوهای پراش اشعه ی ایکس برای پودر AZN از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد……………. 96
شکل 4-8 : آنالیز پراش اشعه ی ایکس برای پودر AZNC از دمای 500 تا 1400 درجه سانتیگراد…….…. 97
شکل 4-9: الف) نمونهAZ عملیات حرارتی شده در 1400 درجه ی سانتیگراد ، ب) نمونه AZسرد شده تا دمای محیط…..…… 99
شکل 4-10: الف) نمونه AZN عملیات حرارتی شده در 1400، ب) نمونه AZN سرد شده تا دمای محیط…..………… 100
شکل 4-11:الف) نمونه AZNC عملیات حرارتی شده در 1400 ،ب) نمونه AZNC سرد شده تا دمای محیط……..…. 100
شکل 4-12: آنالیز FTIR برای نمونه AZ در دمای الف) دمای محیط (بدون عملیات حرارتی)، ب)1200درجه سانتیگرا………… 102
شکل 4-13: آنالیز FTIR برای نمونه AZN دردمای الف) دمای محیط(بدون عملیات حرارتی)، ب)1200 سانتیگراد….. 103
شکل 4-14: آنالیز FTIRبرای نمونه AZNCدر دمای الف) بعد از خشک، ب) 1200درجه سانتیگراد..... 104
تصویر4-15: تصویر SEM از سطح شکست قطعه AZ در دمای500 درجه سانتی گراد، وبزرگنمایی……… 106
شکل 4-16 : تصویر SEM از سطح شکست قطعه AZ در دمای1200درجه سانتی گراد و بزرگنمایی……. 107
شکل4-17: تصویر SEM از پودر AZدر دمای 500 درجه سانتی گراد و بزرگنمایی15000…………………. 108
شکل4-18: تصویر TEMبرای محلول جامد AZدر دمای500 درجه سانتی گراد……………….……………... 108
تصویر4-19: تصویر SEM از سطح شکست قطعه AZN در دمای500 و بزرگنمایی……………………….….. 109
شکل 4-20 : تصویر SEM از سطح شکست قطعه AZN در دمای1200 و بزرگنمایی…………………….…… 110
شکل4-21: تصویر SEM پودرAZN در دمای500 درجه سانتی گراد و بزرگنمایی15000………………..….. 111
شکل4-22: تصویر TEMبرای محلول جامد AZN در دمای500 درجه سانتی گراد……………....………….. 111
شکل4-23: تصویر SEM سطح شکست قطعه AZNC در دمای 500 و بزرگنمایی…………………………….. 112
شکل 4-24 : تصویر SEM از سطح شکست قطعه AZNC در دمای1200درجه سانتی گراد و بزرگنمایی……………… 113
شکل4-25: تصویر SEM پودرAZNC در دمای500 درجه سانتی گراد و بزرگنمایی15000……….…..…… 114
شکل4-26: تصویر TEMبرای محلول جامد AZN در دمای500 درجه سانتی گراد…………….……..………. 114
شکل4-27: آنالیز UV-vis برای نمونه AZ در دماهای الف) بعد از سنتز ب)1200 ج)1400درجه سانتی گراد…………. 118
شکل4-28: آنالیز UV-Vis برای نمونه AZN در دماهای الف) بعد از سنتز ب)1200 ج)1400درجه سانتی گراد……… 119
شکل4-29: آنالیز UV-vis برای نمونه AZNC در دماهای الف) بعد از سنتز ب)1200 ج)1400درجه سانتی گراد……. 120
چکیده:
نانومحلول های جامد Al/ZrO2 وAl -Ni/ZrO2 و Al-Ni-Cu/ZrO2 به روش سنتز هم رسوبی با استفاده از هیدرولیز نمک های زیرکونیوم، آلومینیوم، نیکل و مس در اتانول آماده سازی شدند. محلول های جامد تهیه شده دردماهای مختلف و تحت اتمسفر هوا عملیات حرارتی شدند.و نقش عملیات حرارتی در تثبیت فاز مونوکلینیک در دماهای مختلف توسط XRD بررسی شد. خواص فیزیکی و شیمیایی نانومحلول های جامد تهیه شده توسط آنالیزهای FTIR ,UV-vis ,TEM ,SEM و EDX مورد بررسی قرارگرفت. باتوجه به نتایج آنالیز XRDتثبیت فازمونوکلینیک در محلول جامد صورت گرفته و نتایج SEM مورفولوژی کروی و یکنواختی اندازه ذرات رابرای نمونه های تهیه شده نشان می دهند. پودر های تهیه شده به منظور تولید مواد پایه آند پیل سوختی اکسید جامد، به روش تر و باتخلخل زای پلی اتیلن گلیکول مخلوط شده و توسط پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شدند و استحکام و دانسیته در آنها به مقدار بهینه رسید. دانسیته نسبی برای بهترین نمونه مقدار062/3 گرم برسانتی متر مکعب بدست آمد و تخلخل نمونه ها در حدود40-50 درصد محاسبه شد.
کلید واژه : نانو محلول جامد- پیل سوختی اکسید جامد- زیرکونیا – آند
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
انرژی از دیر باز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیر گذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. بر این اساس هیدروژن به عنوان یکی از سوختهای پاک یکی از بهترین گزینه ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می باشد ]1[. بشردرآینده ای نه چندان دورعصر هیدروژن راتجربه خواهدکرد]1و2[. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط دستگاهی به نام پیل سوختی انجام می پذیرد]3[. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش به سزایی را ایفا می کنند و به خاطر عدم به کارگیری قطعات مکانیکی زیاد ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی نمایند]3[. پیل های سوختی به عنوان یک منبع بسیار ایده آل انرژی برای استفاده های ساکن وغیر ساکن ، نظیر حمل ونقل و نیرو گاه ها می باشند .در این بین پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) بدلیل مزایایی نظیر قیمت ارزانترمواد مورد استفاده درآنها، حساسیت کمتر به ناخالصی های گاز هیدروژن وکارایی بسیار بالاتر یکی از جذاب ترین انواع پیل های سوختی می باشد. این پیل های سوختی به دلیل اینکه هیدروژن ورودی به آنها نیاز به هیچ گونه تغییر و خالص سازی اولیه ندارد، به شدت از نظر قیمت نسبت به سایر پیل های سوختی ارزان تر می باشند]4[. پیل های سوختی اکسید جامد از سه بخش آند و کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. اساس عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد شامل احیای یک اکسنده (O2) درکاتد و اکسایش یک سوخت (H2) در آند می باشد. در این پیل ها نیاز به یک الکترولیت هادی یون اکسیژن و پروتون، برای واکنشهای الکتروشیمیایی اکسایش و کاهش اکسیژن و هیدروژن، انجام شده درالکترودها می باشد]5[.
امروزه در پیل های سوختی اکسید جامد بطور گسترده از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود. هیدروژن از منابع مختلف مانند: گازطبیعی، گازهای سنتزی حاصل از تبخیر منابع کربنی و زغال وغیره بدست می آید. هیدروکربنها نیز بطور گسترده به عنوان سوخت این پیل ها رواج پیداکرده اند. سوختهای هیدروکربنی معمولا در دماهای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد ناپایدارند و برروی آند به هیدروژن و کربن تبدیل می شوند. سوختهای هیدروکربنی بطور معمول مقدارکمی سولفوربه همراه دارند. کربن حاصل از تجزیه هیدروکربنها و سولفور موجود درآنها مشکلاتی برای عملکردپیل ایجاد می کنند. برای جلوگیری از نشست کربن در سطح آند معمولا مقداری بخاراضافه به همراه گاز استفاده می شود و همچنین تغیراتی نیز در ترکیبات موادآندداده میشود. برای جلوگیری از سمی شدن پیل توسط سولفور معمولا سوخت را سولفور زدایی می کنند]5[.
در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی مواد، کاتالیزورها، علوم سطح و خواص الکتروشیمیایی آندها انجام شده است] 4[. آندهای مورد استفاده در پیل های سوختی اکسید جامد از مواد و تنوع وگستردگی فراوانی برخوردارند. و از روشهای ساخت و سنتزمختلفی برای سنتزپودر و ساخت این آندها استفاده می شود. دوویژگی برجسته آند این پیل ها برای انتخاب ماده مناسب برای آند برای کارکردمناسب، الف)رسانایی یونی، ب)رسانایی الکترونی می باشد. زیرکونیا به عنوان یک ماده که به طور ذاتی دارای نقص جای خالی در ساختارمی باشد، یکی ازبهترین گزینه ها برای استفاده درآند این پیل ها می باشد.
در این تحقیق از سنتز هم رسوبی برای تهیه محلولهای جامد استفاده شد. این روش بدلیل تولید ترکیباتی همگن و با خلوص بسیار بالا ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده و علاوه بر آن کنترل اندازه دانه نیز در این روش بسیار آسان است]12[. هنگامی که زیرکونیا در دماهای پایین به روش هم رسوبی سنتز می شود امکان پایداری فاز تتراگونال به PH و هیدرولیز کننده مورد استفاد،وابسته می شود. در این تحقیق به روش سنتز همرسوبی، 3 محلول جامد، الف)Al-Zr، ب)Al-Zr-Ni،
ج)Al-Zr-Ni-Cu تهیه و آماده سازی شد. این محلول های جامد به عنوان مواد جدید برای استفاده در آند پیل های اکسید جامد طراحی و آماده شدند. ارزان بودن، غیرسمی بودن، سنتزآسان، تکرارپذیری تولید از جمله مزایای این مواد است. یکی از موارد مهم برای تولید و ساخت آندها در پیل سوختی اکسیدجامد، متخلخل بودن این آندها می باشد. این آندها باید دارای تخلخل با اندازه و توزیع یکنواخت باشند. که به این منظور از موادی مانند کربن و مواد دیگری برای متخلخل سازی استفاده می کنند]13[. دراین تحقیق برای متخلخل سازی آند چند نوع مختلف تخلخل زای، ارزان قیمت و مناسب در آند استفاده شد. که نهایتا منجر به به استفاده از PEGبه عنوان تخلخل ساز مناسب شد.پس از سنتز و تهیه محلول های جامد، موادحاصل ابتدا در دمای 500 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند و سپس برای تعیین تثبیت فازی و زینترینگ نهایی در دماهای800 و1000 و1200 و1400 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند.پس ازآن پودرهای حاصل با دو روش تر و خشک با چند نوع تخلخل زا ترکیب و با روش پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شده و عملیات حرارتی نهایی در1400 درجه سانتیگراد بر روی آنها صورت گرفت. قطعات آندی که دارای تخلخل مناسب و توزیع و اندازه تخلخل یکنواخت و استحکام کافی بودند، انتخاب شده و چگالی آنها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد.
در فصل دوم این پایانامه مفاهیمی در مورد نانو فناوری و نانو محلول جامدها ارائه گردیده است. در ادامه مفاهیم کلی و واکنشهای انجام شده در انواع پیل های سوختی شرح داده شده است.
سپس مفاهیم کلی و عمومی در موردآندهای پیل سوختی اکسید جامد، روشهای ساخت و مواد بکار برده شده در آنها، مورد بحث و بررسی قرارگرفته است. درفصل سوم ابتدا به مواد مورد استفاده در این پروژه پرداخته شده است. در ادامه روشهای انجام آزمایش(مواد و تجهیزات)ارائه داده شده و در بخش آخر دستگاهها و لوازم مورد استفاده جهت بررسی و خواص نمونه ها تشریح گردید. درفصل چهارم نتایج حاصل از آزمایشات و بحث های مربوطه ارائه گردیده است. فصل پنجم نتیجه گیری کلی از این تحقیق رابیان می کند.
پایان نامه سنتز و ساخت قطعات از نانو ذرات زیرکونیا و محلولهای جامد آن جهت استفاده در پیلهای سوختی اکسید جامد
